книги из ГПНТБ / Новое в изготовлении и службе подин

Процессы взаимодействия подины с реагентами плавки не только обусловливают изменение химическо­ го и минералогического состава подины и ее структур, но могут в некоторой степени влиять на пирометричес­ кие процессы, меняя состав шлаков, условия для проте­ кания реакции обезуглероживания, концентрации выде­

ляющихся при этом газов и т. д.

Во второй половине плавления, как правило, начина­ ет возрастать содержание MgO в шлаке. Рост достигает максимума к концу доводки [52]. При этом в шлак пе­ реходят зерна периклаза, сцементированные монтичеллитом; присутствующие в них окислы железа находятся

ввиде твердого раствора — магнезиовюстита [53].

Вшлаках нередко находят куски извести, особенно

при расположении известняка непосредственно на поди­ не, содержащие в периферийных участках периклаз. Это обычно наблюдается в период известкового кипения.

Приваривание кусков извести к подине способствует увеличению времени известкового кипения, продолжаю­ щегося иногда в течение значительной части периода до­ водки [52]. Шероховатая поверхность подины способст­ вует развитию окислительно-восстановительных процес­ сов обезуглероживания стали, а также оказывается местом концентрации газовых пузырьков [52].

Твердая шероховатая и не смачиваемая металлом поверхность подины является не только местом концент­ рации, но и местом возникновения пузырьков окиси угле­ рода, для которых выходящие на поверхность подины капилляры играют роль готовых центров газообразова­ ния [2].

Процесс образования пузырьков СО на подине раз­ вивается в наибольшей степени, когда в шлаке исчезают твердые шлакообразующие материалы, также являющи­ еся центрами газообразования.

В этот период чистого (донного или подового) кипе­ ния окисление углерода протекает в основном на по­ верхности подины и откосов, чем глубже место зарожде­ ния пузырей, тем больше их размеры и скорость всплы­ вания. К началу чистого кипения перегрев металла вы­ ше температуры ликвидуса составляет 40—60°С [2]. Учитывая существенное размягчение поверхностного слоя подины при таких температурах и интенсивный от­ рыв газовых пузырей от ее поверхности, естественно по­ лагать наличие процессов разрушения пода в период

30

чистого кипения. Поэтому износ подины связывают с процессами обезуглероживания. Стойкость подин резко снижается при выплавке стали как с пониженным, так и с повышенным содержанием углерода.

Интенсивное взаимодействие подины с углеродом ванны начинается во второй половине периода плав­ ления.

При выплавке высокоуглеродистой стали содержание окислов железа в подине снижается в большей степени, чем при выплавке малоуглеродистой стали.

По данным работы [54], количество окисленного же­ леза в подине уменьшается до достижения содержания в стали 0,2% С. При снижении содержания углерода с 0,2 до 0,1% восстановления железа в подине не проис­ ходит, что способствует повышению ее стойкости. Даль­ нейшее снижение содержания углерода в ванне приво­ дит к увеличению содержания окислов железа в подине, что повышает ее износ в конце доводки.

Вработе [55] подтверждается существующее мнение

оспособности FeO диффундировать в периклаз и из периклаза в жидкую сталь. Предполагается, что скорость такого перехода значительно ниже скоростей в системе шлак—металл. О влиянии характера поверхности поди­ ны на процесс кипения ванны литературные данные раз­ норечивы.

Шероховатая поверхность подины [56] в большей

степени способствует появлению пузырей, чем ошлако­ ванная «блестящая». В дальнейшем при смывании на­ гретых слоев подины обнажаются более холодные уча­ стки огнеупорной футеровки, в месте контакта с кото­ рым и может несколько понизиться температура жидкой стали. Это, согласно диаграмме равновесного состо­ яния, понижает растворимость углерода и кислорода в жидкой стали в охлажденном районе, вызывает интен­ сивное их выделение, выражающееся бурным кипением ванны на участке разрушения подины. Высказанные положения не всегда согласуются с результатом наблю­ дений.

Характер взаимодействия подины с компонентами ванны изучали по химическому составу проб подин, отобранных по ходу плавки [57]. При этом были обна­ ружены значительные изменения: уменьшение содержа­ ния окислов железа к моменту расплавления в резуль­ тате восстановления кремнием, увеличение содержания

31

окислов железа к чистому кипу вследствие смывания верхнего слоя и обнажения свежего с повышеннным со­ держанием окислов железа1, раскисление его после да­ чи раскислителей и, следовательно, снижение содержа­ ния FeO и, наконец, увеличение содержания окислов же­ леза после выпуска вследствие предполагаемой мигра­ ции FeO из шлака. В процессе эксплуатации подины возможно обнажение шероховатой поверхности при смывании размягченного слоя.

Предполагается, что свежий шероховатый слой мень­ ше смачивается металлом, что способствует зарожде­ нию пузырьков СО и создает благоприятные условия для подового кипения. Авторы работы [57] считают, что абсолютное количество углерода, окисляющегося за счет окислов железа подины, невелико (0,05—0,06%)-Не­ смотря на это, возможности развития на подине подово­ го кипения придают большое значение, так как это об­ легчает образование на подине активных центров — участков образования окиси углерода. Наличие таких участков ускоряет процесс взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в металле.

Существенное влияние на стойкость подин оказыва­ ет проникновение в рабочий слой расплавленных чугу­ на и стали. Кроме распространения их через крупные пу­ стоты, возможно проникновение через капилляры [58].

Капиллярное проникновение в отсутствие перепада давления на концах капилляра возможно при смачива­ нии стенок канала пропитывающей жидкостью. Степень смачивания магнезита железом зависит от состава и ко­ личества примесей в нем. Краевой угол смачивания периклаза армко-железом составляет 118—139 °С [59].

Смачиваемость зависит от химического состава маг­ незита, так же как и от состава металла. В наибольшей степени увеличению смачиваемости способствует при­ сутствие в периклазе ионов железа, а в металле — ионов кислорода.

Растворение в периклазе вюстита с параметрами ре­ шетки, близкими как к периклазу, так и к железу, спо­ собствует увеличению сил связи между магнезиально­ железистым материалом и жидкой сталью [58]. Разли-

1 Такое объяснение наиболее вероятно для магнезиально-желези­

стых подин из крупнозернистых порошков, проработавших не более 10 плавок.

32

чйе в смачиваемости чистого и ошлакованного периклаза позволяет предположить различный характер возможных процессов на границе подина —жидкая сталь для подин, изготовленных по разным технологиям.

Угол смачивания сталью шлакомагнезиальной поди­

Величина угла смачивания и высота подъема рас­ плава в капилляре радиусом 10~3 см для разных мате­ риалов приведены в табл. 4 [58].

В табл. 5 помещены расчетные величины скорости перемещения металлургических расплавов в магнези­ альном капилляре радиусом 10-3 см и длиной 1см [62].

Расчетные данные могут не совпадать с фактическими в связи с градиентом температур в подине и процессами взаимодействия расплава со стенками капилляра.

Т а б л и ц а 6

Химический состав неработавших подин

Проводились исследования подин, изготовленных из магнезитового порошка с зерном размером 2—10 мм в пе­ чах с динасовым и магнезитохромитовым сводами [63]. В качестве шлакующих материалов применяли шлак и окалину. Химический состав новых подин (послойно) помещен в табл. 6.

В этой же работе описаны изменения подин после 2-, 5-, 10-, 15-, 20- и 32-й плавки. Изменяется состав сили­ катной связки и уменьшаются размеры кристаллов периклаза — от 60—120 мм после первых плавок до 15— 20 мкм после 20 плавок. Значительно увеличивается содержание силикатов в рабочем слое подин к концу меж­ ремонтного периода (до 70—75%). Последнее обстоя­ тельство может быть объяснено не только постепенным насыщением подины шлаком, но и образованием неров­ ностей на подине к концу ее кампании и накапливанием шлака вследствие этого на поверхности подины. Попа­ дая в пробоотборник вместе с подиной, шлак мог не­ сколько исказить фактический состав размягченного слоя.

В некоторых работах [63, 64] авторы полагают нео­ боснованным применение для подин магнезиальных ма­ териалов с предельно высоким содержанием MgO и счи­ тают возможным эффективно использовать материалы с пониженным содержанием периклаза.

При исследовании взаимодействия подин с различны­ ми реагентами мартеновской плавки в лабораторных ус­ ловиях [65], в которых использовали таблеточный метод,

34

определяли влияние чугуна, низкоуглеродистой стали, мартеновского шлака, ферросилиция, графита при нагре­ вании до 1650° С в течение 4 ч. По данным исследований, чугун и сталь способствуют увеличению содержания окислов железа с 17 до 29%, насыщению периклаза магнезиоферритом и его рекристаллизации. При дейст­ вии ферросилиция уменьшается величина кристаллов пе­ риклаза, увеличивается содержание силикатной связки и восстанавливаются окислы железа. Шлак способствует уменьшению размеров кристаллов периклаза.

Области существования составов подин в многокомпонентных диаграммах равновесного состояния

Результаты многочисленных исследований состава подин мартеновских печей [5, 12, 66] и состава отобран­ ных в разные периоды ремонта и плавки проб подин позволяет считать состав связки отработавших участков ог­ раниченным областью существования минералов 2СаСЬ

Трехкальциевый силикат наблюдается весьма редко. Так­ же редко встречается монтичеллит и ферромонтичеллит, по-видимому, в связи с образованием из этих двух мине­ ралов стекла оливинитового состава. Твердая фаза (в условиях эксплуатации) во всех случаях представле­ на магнезиовюститом.

Если не учитывать в подине некоторого количества А120 3, т о области существования связки и огнеупорной составляющей подины могут быть размещены на диаг­ рамме равновесного состояния Si02—СаО—MgO—FeO. Для простоты изложения можно пользоваться начальной буквой формулы, описывающей соединение. Тогда рас­ сматриваемая система может быть представлена следу­ ющим образом: S—С—М—F (рис. 16). При этом состав огнеупорной составляющей (магнезиовюстита) распола­ гается на прямой MgO—FeO. Область существования магнезиовюстита в равновесии с расплавом весьма об­ ширна. В сечении CS—М—F она распространяется почти до прямой CMS— CFS и граничит вблизи этой прямой с областью оливинов, образующихся в результате вза­ имного растворения магнезиальных и железистых орто­ силикатов, а также ферромонтичеллита и монтичеллита.

Пограничная поверхность раздела областей первичной кристаллизации магнезиовюстита и оливинов распрост­ раняется до пересечения с плоскостью М—S—F несколь­ ко ниже прямой F2 S —M2 S. Поверхность раздела облас­ тей первичной кристал-

CMS—CFS можно определить лишь приближенно. Тем не менее рассмотрение этой диаграммы может способ­ ствовать оценке износоустойчивости подины со связкой того или иного состава.

На рис. 17 схематически изображены области первич­ ной кристаллизации минералов или существования твер­

36

дых растворов рассматриваемого тетраэдра [3]. Некото­ рые упрощения, допущенные при изображении погранич­ ных линий и поверхностей, практически не меняют величину разграниченных ими областей. На рисунке за­ штрихована область возможных составов связок подин.

CMS

Рис. 17. Диаграмма равновесного состояния системы 2CaO-Si02—СаО- •MgO*SiC>2—СаО • FeO • S i02—СаО • S i0 2:

I — линии на плоскостях CS—CMS—CFS, CS—

C2S—CFS и C2S—CMS—CFS; / / — линии на пло­ скости C2S—CMS—CS; III — линии в объеме тет­

раэдра

Судя по температурам отдельных точек, нанесенных на диаграмму, огнеупорность связки снижается при пере­ мещении ее состава в сторону увеличения содержания

SiC>2 и особенно FeO [3].

Рассматриваемая система ограничена тремя псевдоби-

нарными системами: CMS—CFS, C2S — CMS и C2S —CFS.

Система двукальциевый силикат — ферромонтичеллит исследована при изучении системы двукальциевый сили­ кат— фаялит [3]. Диаграмма равновесного состояния этой системы свидетельствует о наличии на участке C2S —

37

F2S одного эвтектического минимума и областей твердых

растворов (рис. 18).

Система C2S-—C.MS описана А. С. Бережным [67] при рассмотрении диаграммы равновесного состояния C2S —M2S (рис. 19). В этой системе обнаружен твердый раствор монтичеллита в форстерите, распадающийся при температуре ниже 1200° С [68].

Рис. 18. Диаграмма равновесного состояния Ca2Si0 4 —-FezSiQ*

В рассматриваемом сечении (C2S —CFS—CMS) чет­ вертой диаграммы могут находиться области первичной кристаллизации двукальциевого силиката, мервинита, монтичеллита, ферромонтичеллита, а также периклаза (магнезиовюстита). Области эти не равны по величине. Наибольшей должна быть область первичной кристал­ лизации двукальциевого, силиката. Остальные минералы плавятся с разложением, поэтому область их первичной кристаллизации может в основном лежать вне рассмат­ риваемой плоскости.

Особенно это может быть отнесено к монтичеллиту. Минералогическая характеристика перечисленных мине­ ралов приведена в табл. 7.

38

СО

* Возможны замещения M g^" на Мп

to